KR20220066270A - 전기화학 공정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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조나스 코포넨
베사 루스카넨
안티 코소넨
안톤 폴루엑토브
제로 아홀라
마르쿠 니에멜레
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라펜란난-라덴 테크닐리넨 료피스토 엘유티
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Abstract

전기화학 공정을 위한 시스템은 전기화학 반응기(101), 상기 전기화학 반응기의 전극들(102, 103)에 직류를 공급하기 위한 컨버터 브릿지(104), 및 상기 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 연결된 직렬 인덕터들(107)을 포함한다. 상기 컨버터 브릿지는 상기 교류 전압 터미널들과 상기 컨버터 브릿지의 직류 전압 터미널들의 사이에 양방향 제어식 스위치들(111, 112)을 포함한다. 상기 양방향 제어식 스위치들의 강제 정류에 의해 상기 전기화학 반응기에 공급된 직류에서의 전류 리플이 감소하게 된다. 상기 강제 정류는 또한 상기 시스템의 교류 전압 공급의 역률의 제어를 가능하게 한다.

Description

전기화학 공정을 위한 시스템 및 방법
본 발명은, 예를 들어 전기분해 또는 전기투석과 같은 전기화학 공정을 위한 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기화학 공정에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것이다.
유체를 처리하기 위해 전력이 공급되는 전기화학 공정은, 예를 들어 전기분해 공정 또는 전기투석 공정일 수 있다. 전기분해는, 예를 들어 물을 수소 가스 H2 및 산소 가스 O2로 분해하기 위한 물 전기분해일 수 있다. 물 전기분해에서 널리 사용되는 유형은, 예를 들어 수성 수산화칼륨 "KOH" 또는 수성 수산화나트륨 "NaOH"을 포함할 수 있는 알칼리성 액체 전해질 내에서 전극들이 작동하는 알칼리성 물 전기분해이다. 상기 전극들은 전자에 대해 비전도성인 다공성 격막(porous diaphragm)에 의해 분리되며, 따라서 전극들 사이의 전기적 단락을 피하게 된다. 또한, 다공성 격막은 생성된 수소 가스 H2와 산소 가스 O2의 혼합을 방지한다. 전기분해를 위해 필요한 이온전도성은 다공성 격막을 통과할 수 있는 수산화 이온 OH- 에 의해 야기된다. 전기투석은, 전형적으로 염류 용액을 탈염화하는데 사용되지만, 산업 폐수의 처리, 유청(whey)의 탈회, 및 과일 쥬스의 탈산과 같은 다른 용도들이 점점 중요해지고 있다. 전기투석은, 전극들 사이에 존재하고 일련의 교대하는 음이온-선택성 막들과 양이온-선택성 막들을 포함하는 전기투석 스택(stack) 내에서 수행된다. 음이온-선택성 및 양이온-선택성 막들 중 연속되는 막들 사이의 면적들은 희석 구획들 및 농축 구획들을 구성한다. 전기장은 양이온들을 양이온-선택성 막들을 통해 이동시키고, 음이온들을 음이온-선택성 막들을 통해 이동시킨다. 최종 결과는, 희석 구획들에서의 이온 농축이 감소되고, 인접한 농축 구획들은 이온들로 풍부해지는 것이다.
상기한 종류의 전기화학 공정은 직류 "DC" 전력을 필요로 한다. 따라서, 교류 전압 네트워크에 연결된 시스템에서 교류 "AC"를 직류 "DC"로 변환하는 정류(rectification)가 필요하다. 파워 일렉트로닉스는 조정된 DC 전력 공급의 실현에서 핵심 역할을 한다. 산업적 전기분해 및 전기투석 시스템들에서, 사이리스터(thyristors)에 기초한 정류기들이 통상적으로 선택된다. 더욱 상세한 정보는, 예를 들어 다음의 간행물들에 제시되어 있다: J. R. Rodriguez, J. Pontt, C. Silva, E. P. Wiechmann, P. W. Hammond, F. W. Santucci, R. Alvarez, R. Musalem, S. Kouro, P. Lezana: Large current rectifiers, State of the art and future trends, IEEE Transactions, on Industrial Electronics 52, 2005, pp 738-746. 산업 시스템들에서의 사이리스터 정류기들의 광범위한 사용은 사이리스터들의 고효율, 높은 신뢰성, 및 높은 전류-취급능에 의해 달성된다. 산업적 용도에서의 전형적인 사이리스터 브릿지 정류기들은 6- 및 12-펄스 정류기들이다. 사이리스터 브릿지 정류기의 직류 전압 및 직류는, 사이리스터들의 자연적인 통신에 따른 교류 공급 전압의 주파수의 수배가 되는 주파수들을 갖는 교류 컴포넌트들을 갖는다. 50Hz 공급 전압과 함께, 6-펄스 사이리스터 정류기를 갖는 메인 교류 컴포넌트들은 300Hz, 600Hz 및 900Hz이고, 두배수의 스위치들에 상응하는 12-펄스 사이리스터 정류기를 갖는 메인 교류 컴포넌트들은 600Hz, 1200Hz 및 1800Hz이지만, 진폭은 더 낮다. 전기 컨덕터에서의 저항성 전력 손실은 전류의 제곱근에 직접적으로 비례한다. 따라서, 전류의 순간적인 증가는, 전류와 저항성 전력 손실 간의 2차 관계때문에 저항성 전력 손실에 매우 밀접하게 기여한다. 전류에서의 전류 리플(current ripple)이 클수록, 직류의 실효값(root mean square)인 "RMS"값과 평균값 사이의 차이가 더 커진다. 따라서, 상기한 종류의 전기화학 공정을 수행하는 시스템에서 손실을 감소시키기 위해, 전류 리플은 최소화되어야만 한다. 또한, 전류 리플은 전기화학 공정을 위한 밀리초 시간 비율(millisecond time scale)에 대해 동적 작동을 부과함으로써, 전기분해 또는 전기투석 전지의 열화(degradation)를 촉진할 수 있다. 예를 들어, 알칼리성 물 전기분해에서 양극 열화는 전지 전압이 일정의 보호값 이하로 떨어질 때 일어나는 것으로 보고되어 있다. 더 상세한 정보는, 예를 들어 다음의 간행물들에 제시되어 있다: A. Ursuea, E. L. Barrios, J. Pascual, I. S. Martin, P. Sanchis: Integration of commercial alkaline water electrolysers with renewable energies, Limitations and improvements, International Journal of Hydrogen Energy, 41, 30, 2016, pp. 12852-12861. 전류 리플이 순간적인 전류 밀도를 제로에 가깝게 또는 제로가 되게 하는 경우, 패러데이 효율이 감소되고 작은 전류밀도에서 산소에 대한 수소 가스의 양이 증가함으로 인해 공급된 직류의 품질이 최적화되지 못함으로써, 물 전기분해 시스템의 안전한 작동 범위는 제한적이 된다. 따라서, 공급된 직류의 더 우수한 품질은 안전한 작동 범위 및 에너지 효율적 작동 범위를 넓힌다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 구체예들의 일부 측면들의 기본적인 이해를 돕기 위해서 단순화된 요약이 제시된다. 하기 요약은 본 발명의 광범위한 개요는 아니다. 하기 요약은 본 발명의 핵심적 또는 중요한 요소들을 특정하려는 의도가 아니며, 또한 본 발명의 범위를 설명하려는 의도도 아니다. 하기의 요약은 단순히 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예들의 보다 상세한 설명에 대한 서막으로서의 단순화된 형태의 일부 개념들을 제시한다.
본 발명에 따르면, 예를 들어 전기분해 공정 또는 전기투석 공정일 수 있는 전기화학 공정을 위한 새로운 시스템이 제공된다. 본 발명에 따른 시스템은 다음을 포함한다:
- 유체를 함유하고, 상기 유체에 전류를 보내기 위한 전극들을 포함하는 전기화학 반응기,
- 하나 이상의 교류 전압을 수신하기 위한 교류 전압 터미널들(alternating voltage terminals) 및 상기 전기화학 반응기의 상기 전극들에 직류를 공급하기 위한 직류 전압 터미널들(direct voltage terminals)을 갖는 컨버터 브릿지(converter bridge), 및
- 상기 컨버터 브릿지의 상기 교류 전압 터미널들에 연결된 직렬 인덕터들( serial inductors).
상기한 컨버터 브릿지는 컨버터 레그(leg)들을 포함하며, 상기 컨버터 레그들의 각각은 상기 교류 전압 터미널들 중 하나를 포함하고, 직류 전압 터미널들 사이에 연결된다. 상기 컨버터 레그들의 각각은, 고려되는(under consideration) 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 직류 전압 터미널들 중 양극(positive) 터미널 사이의 양방향(bi-directional) 상부-브랜치(upper-branch) 제어식 스위치 및 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 직류 전압 터미널들 중 음극(negative) 터미널의 사이의 양방향 하부-브랜치(lower-branch) 제어식 스위치를 포함한다.
상기 컨버터 브릿지의 상기 양방향 제어식 스위치들의 강제 정류(forced commutation)에 의해, 상기 전기화학 반응기의 전극들에 공급된 직류에서의 전류 리플의 감소가 가능하게 된다. 또한, 상기 양방향 제어식 스위치들의 강제 정류에 의해 상기 시스템의 교류 전압 공급의 역률(power factor)을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한 전기화학 공정에 전력을 공급하기 위한 새로운 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방법은 다음을 포함한다:
- 직렬 인덕터들을 통해 하나 이상의 교류 전압을 상기한 종류의 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 공급하는 단계, 및
- 상기 전기화학 공정을 수행하기 위해, 상기 컨버터 브릿지의 직류 전압 터미널들로부터 직류를 전기화학 반응기의 전극들로 공급하는 단계.
예시적이고 비제한적인 구체예들은 첨부된 종속청구항들에 기재되어 있다.
본 발명의 구성 및 작동 방법에 대한 다양한 예시적이고 비제한적인 구체예들과 추가의 목적들 및 그들의 유리한 효과들은 첨부한 도면들과 함께 특정의 예시적이고 비제한적인 구체예들의 하기 설명들로부터 가장 잘 이해될 것이다.
본 명세서에서, 용어 "포함하다" 및 "함유하다"는 언급되지 않은 특징들을 배제하거나 요구하지 않는 개방된 한정의 의미로 사용된다. 종속청구항들에서 언급된 특징들은, 특별히 명확하게 달리 언급하지 않는 한, 상호 자유롭게 조합가능하다. 또한, 본 명세서 전반에서, 단수형의 "하나" 또는 "하나의"의 사용은 복수를 배제하지는 않는다는 것을 이해하여야만 한다.
하기에서, 본 발명의 예시적이고 비제한적인 구체예들 및 그들의 이점들은 첨부한 도면들을 참조하여 실시예들의 관점에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 전기화학 공정의 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템을 나타내고,
도 2는 전기화학 공정의 예시적이고 비제한적인 다른 구체예에 따른 시스템을 나타내며,
도 3은 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른, 전기화학 공정에 전력을 공급하기 위한 방법의 플로우챠트를 나타낸다.
하기의 설명에 제공된 특정 실시예들은 첨부한 청구범위의 범위 및/또는 적용가능성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 하기의 설명에 제공된 실시예들의 리스트 및 그룹들은, 달리 명확하게 언급하지 않는 한, 전체를 망라하는 것은 아니다.
도 1은 전기화학 공정을 위한 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템을 나타낸다. 상기 시스템은, 액체를 함유하고 상기 액체에 전류를 보내기 위한 전극들을 포함하는 전기화학 반응기(101)를 포함한다. 도 1에서, 두개의 전극이 부호 102 및 103으로 표시된다. 도 1에 도시된 예시적 시스템에서, 전기화학 반응기(101)는 전기분해 전지들의 스택을 포함한다. 상기 전기분해 전지들은, 예를 들어 알칼리성 물 전기분해를 위한 알칼리 액체 전해질을 함유할 수 있다. 본 예시적 경우에, 상기 액체 전해질은, 예를 들어 수성 수산화칼륨 "KOH" 또는 수성 수산화나트륨 "NaOH"을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 전기분해 전지들은 임의의 다른 전해질을 함유하는 것도 가능하다. 도 1에서, 4개의 전기분해 전지들이 부호 116, 117, 118 및 119로 표시되어 있다. 전기분해 전지들의 각각은 음극, 양극, 및 상기 전기분해 전지를 양극을 포함하는 양극 구획과 음극을 포함하는 음극 구획으로 나누는 다공성 격막을 포함한다. 상기 시스템은, 예를 들어 수십개 또는 심지어 수백개의 전기분해 전지들을 포함할 수 있다. 그러나, 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템은 1개 내지 10개의 전기분해 전지들을 포함하는 것도 가능하다. 도 1에 도시된 예시적인 시스템에서, 전기분해 전지들은 전기적으로 직렬로 연결된다. 그러나, 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템의 전기분해 전지들은 전기적으로 병렬로 연결되거나, 전기분해 전지들은 병렬 연결된 전기분해 전지들의 그룹들이 직렬로 연결되거나 직렬 연결된 전기분해 전지들의 그룹들이 병렬로 연결되도록 배열되거나, 또는 전기분해 전지들은 다른 방식으로 서로에게 전기적으로 연결되는 것도 가능하다.
상기 시스템은 수소 세퍼레이터 탱크(126) 및 상기 전기분해 전지들의 양극 구획들로부터 상기 수소 세퍼레이터 탱크(126)의 상부로 이어지는 제1 파이프(125)를 포함한다. 상기 시스템은 산소 세퍼레이터 탱크(127) 및 상기 전기분해 전지들의 음극 구획들로부터 상기 산소 세퍼레이터 탱크(127)의 상부로 이어지는 제2 파이프(136)를 포함한다. 상기 시스템은 상기 수소 세퍼레이터 탱크(126)의 하부 및 상기 산소 세퍼레이터 탱크(127)의 하부로부터 액체 전해질을 전기분해 전지들로 다시 순환시키기 위한 제3 파이프(128)를 포함한다. 상기 수소 세퍼레이터 탱크(126) 및 산소 세퍼레이터 탱크(127)에서, 수소 가스 H2 및 산소 가스 O2는 기체로서 분리되어 계속적으로 상향하고, 액체 전해질은 전해질 사이클로 되돌아간다. 도 1에 도시된 예시적 시스템에서, 상기 제3 파이프(128)는 액체 전해질을 전기분해 전지들로 펌핑하기 위한 제어식 펌프(130)를 포함한다. 펌프-제어식 전해질 사이클은, 특히 온도 조절이 필요한 경우에 유리하다. 그러나, 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템은 중력에 의한 전해질 순환을 포함하는 것 또한 가능하다. 도 1에 도시된 예시적 시스템에서, 상기 제3 파이프(128)는 액체 전해질을 여과하기 위한 필터(130)를 더 포함한다. 상기 필터(130)는, 예를 들어 액체 전해질로부터 불순물들을 제거하기 위한 막 필터일 수 있다.
상기 시스템은 교류 전압을 수신하기 위한 교류 전압 터미널들(105) 및 직류를 전기화학 반응기(101)의 전극들로 공급하기 위한 직류 전압 터미널들(106)을 갖는 컨버터 브릿지(104)를 포함한다. 상기 시스템은 컨버터 브릿지(104)의 교류 전압 터미널들에 연결된 직렬 인덕터들(107)을 포함한다. 상기 컨버터 브릿지(104)는 컨버터 레그들(108, 109, 110)을 포함하고, 이들 각각은 교류 전압 터미널들(105) 중 하나를 포함하고, 상기 직류 전압 터미널들(106) 사이에 연결된다. 상기 컨버터 레그들의 각각은 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 직류 전압 터미널들(106) 중 양극 터미널의 사이에 양방향 상부-브랜치 제어식 스위치를 포함하고, 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 직류 전압 터미널들(106) 중 음극 터미널의 사이에 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치를 포함한다. 도 1에서, 상기 컨버터 레그(109)의 양방향 상부-브랜치 제어식 스위치는 부호 111로 표시되고, 상기 컨버터 레그(109)의 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치는 부호 112로 표시된다. 이러한 예시적 경우에, 각각의 양방향 제어식 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 "IGBT" 및 역평행 다이오드를 포함한다. 그러나, 각각의 양방향 제어식 스위치는, 예를 들어 게이터 턴오프 사이리스터 "GTO", 또는 금속산화물 전계 효과 트랜지스터 "MOSFET", 또는 IGBT 대신에 임의의 다른 적합한 반도체를 포함하는 것도 가능하다. 컨버터 브릿지(104)의 상기 양방향 스위치들의 강제 정류에 의해, 상기 전기화학 반응기(101)의 전극들에 공급된 직류에서의 전류 리플이 감소될 수 있다. 또한, 상기 양방향 제어식 스위치들의 강제 정류에 의해 상기 시스템의 교류 전압 공급의 역률을 제어할 수 있다. 상기 시스템은, 원하는 직류가 전기화학 반응기(101)의 전극들에 공급되고, 교류 전압 터미널들(105)에서 원하는 교류 전압이 발생하도록, 상기 제어식 스위치들의 작동을 제어하기 위한 게이트-드라이버(gate-driver) 유닛(137)을 포함한다.
도 1에 도시된 예시적 시스템은, 교류 전압 네트워크(135)로부터 전력을 직렬 인덕터들(107)을 통해 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들(105)로 전송하기 위한 변압기(113)를 포함한다. 본 예시적 시스템에서, 상기 시스템은 인덕터-커패시터 "LC" 필터(115)를 더 포함하여, 상기 인덕터-커패시터 필터(115)와 상기 직렬 인덕터들(107)이 인덕터-커패시터-인덕터 "LCL" 필터를 구성한다. 상기 변압기의 2차 와인딩들(134)은 상기 LCL 필터를 통해 컨버터 브릿지(104)의 교류 전압 터미널들(105)에 연결된다. 상기 변압기(113)의 이차 전압은, 직류 전압 터미널들(106)의 직류 전압이 전기화학 반응기(101)에 적합한 범위 내에 있는 경우에 컨버터 브릿지가 상기 제어식 스위치들의 적합한 충격계수(duty cycle ratio)로 작동될 수 있을 정도로 낮게 선택되는 것이 유리하다. 교류 전압으로부터 직류 전압으로의 변압은 단일 단계로 수행되고, 이로써 전형적으로 컨버터 브릿지(104)의 승압(voltage-boosting) 특성이 유도된다. 상기 승압 특성에 의해, 직류 전압 터미널들(106)에서의 직류 전압이 상기 시스템에 공급된 교류 라인-대-라인(line-to-line) 전압들의 최대치보다 더 높게 되는 것이 가능해진다. 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템에서, 변압기(113)는 상기 변압기의 변압비를 변화시키기 위한 탭 절환기(tap-changer; 114)를 포함한다. 상기 탭 절환기(114)는, 예를 들어 로딩 동안에 변압비를 변화시킬 수 있는 부하시(on-load) 탭 절환기일 수 있다. 직렬 인덕터들(107), 컨버터 브릿지(104) 및 가능하게는 LC 필터(115)를 포함하는 구조체 역시 DC-DC 컨버터로서 사용될 수 있다.
상기 시스템은 전기화학 반응기(101)에 공급된 직류를 측정하기 위한 전류 센서 및/또는 직류 전압 터미널들(106)의 직류 전압을 측정하기 위한 전압 센선를 더 포함할 수 있다. 상기 전류 센서 및 전압 센서는 도 1에는 도시되어 있지 않다. 상기 전류 센서 및/또는 전압 센서는, 예를 들어 컨버터 브릿지(104)를 포함하는 컨버터 디바이스의 일부들일 수 있다. 다른 실시예로서, 상기 전류 센서 및/또는 전압 센서는 전기화학 반응기(101)의 일부일 수 있다. 상기 전류 센서의 출력 신호 및/또는 상기 전압 센서의 출력 신호는 상기 게이트-드라이버 유닛(137)을 제어하는 제어기로 전달될 수 있다.
도 2는 전기화학 공정을 위한, 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템을 나타낸다. 상기 시스템은, 액체를 함유하고 상기 액체에 전류를 보내기 위한 전극들(202, 203)을 포함하는 전기화학 반응기(201)를 포함한다. 도 2에 도시된 예시적 시스템에서, 상기 전기화학 반응기(201)는 상기 전극들(202, 203) 사이에 위치하는 전기투석 스택을 포함하고, 음이온-선택성 막들과 양이온-선택성 막들의 교대 시리즈(alternating series)를 포함한다. 도 2에서, 음이온-선택성 막들 중 하나는 부호 220으로 표시되고, 양이온-선택성 막들 중 하나는 부호 221로 표시된다. 음이온-선택성 막들 및 양이온-선택성 막들 중 연속되는 막들 사이의 공간들은 희석 구획들(224) 및 농축 구획들(223)을 구성한다. 전기장은 상기 양이온-선택성 막들을 통해 양이온들을 이동시키고, 음이온-선택성 막들을 통해 음이온들을 이동시킨다. 그 최종 결과는 희석 구획들(224)에서의 이온 농도가 감소되고, 인접한 농축 구획들(223)은 이온들로 풍부해지는 것이다. 도 2에 도시된 예시적 시스템에서, 처리되어질 공급물, 예로서 염분(saline) 공급물은 유입구(231)를 통해 수용되고, 예를 들어 신선한 물과 같은 희석된 액체는 제1 배출구(232)를 통해 제거되며, 예를 들어 농축된 브라인(brine)은 제2 배출구(233)를 통해 제거된다.
상기 시스템은 교류 전압들을 수신하기 위한 교류 전압 터미널들(205) 및 직류를 전기화학 반응기(201)의 전극들(202, 203)로 공급하기 위한 직류 전압 터미널들(206)을 갖는 컨버터 브릿지(204)를 포함한다. 상기 시스템은 상기 컨버터 브릿지(204)의 교류 전압 터미널들(205)에 연결된 직렬 인덕터들(207)을 포함한다. 상기 컨버터 브릿지(204)는 컨버터 레그들(208, 209, 210)을 포함하고, 각각의 레그는 교류 전압 터미널들(205) 중 하나를 포함하고, 상기 직류 전압 터미널들(206) 사이에 연결된다. 상기 컨버터 레그들의 각각은, 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 직류 전압 터미널들 중 양극 터미널의 사이에 양방향 상부-브랜치 제어식 스위치를 포함하고, 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 직류 전압 터미널들 중 음극 터미널의 사이에 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치를 포함한다. 도 2에서, 컨버터 레그(209)의 양방향 상부-브랜치 제어식 스위치는 부호 211로 표시되고, 컨버터 레그(209)의 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치는 부호 212로 표시된다. 상기 시스템은, 원하는 직류를 전기화학 반응기(201)의 전극들로 공급하고, 교류 전압 터미널들(205)에서 원하는 교류 전압이 발생하도록, 상기 제어식 스위치들의 작동을 제어하기 위한 게이트-드라이버 유닛(237)을 포함한다.
도 2에 도시된 예시적 시스템은, 교류 전압 네트워크(235)로부터 전력을 직렬 인덕터들(207)을 통해 컨버터 브릿지(204)의 교류 전압 터미널들(205)로 전달하기 위한 변압기(213)를 포함한다. 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템에서, 상기 변압기(213)는 탭 절환기(214), 예를 들어 변압기의 변압비를 변화시키기 위한 부하시(on-load) 탭 절환기일 수 있다.
도 1에 도시된 게이트-드라이버 유닛(137) 및 도 2에 도시된 게이트-드라이버 유닛(237)은 상기 제어식 스위치들을 제어하기 위한 드라이버 회로들을 포함한다. 또한, 게이트-드라이버 유닛(237)뿐 아니라 게이트-드라이버 유닛(137)은 상기 드라이버 회로들을 가동하기 위한 프로세싱 시스템을 포함한다. 상기 프로세싱 시스템은 하나 이상의 아날로그 회로들, 하나 이상의 디지털 프로세싱 회로들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 각각의 디지털 프로세싱 회로는, 적합한 소프트웨어, 예를 들어 애플리케이션 특정 집적회로 "ASIC"와 같은 전용 하드웨어 프로세서, 또는 예를 들어 필드 프로그램가능한 게이트 어레이 "FPGA"와 같은 구성가능한 하드웨어를 구비한 프로그램가능한 프로세서 회로일 수 있다. 또한, 상기 프로세싱 시스템은 하나 이상의 메모리 회로를 포함할 수 있고, 각각의 메모리 회로는, 예를 들어 랜덤-액세스 메모리 "RAM" 회로일 수 있다.
본 발명은 임의의 특정 전기분해 공정 및/또는 임의의 특정 전기투석 공정들에 제한되는 것은 아니라는 점에 주목하여야 한다. 예를 들어, 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 시스템은 양성자 교환막 "PEM" 물 전기분해를 위한 전기화학 반응기, 고체 산화물 전해질 전지 "SOEC" 공정을 위한 전기화학 반응기, 또는 일부 다른 전기분해 공정을 위한 전기화학 반응기를 포함할 수 있다.
도 3은, 예를 들어 물 전기분해 또는 전기투석과 같은 전기화학 공정에 전력을 공급하기 위한 예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 방법의 플로우챠트를 나타낸다. 상기 방법은 다음의 작용단계(action)들을 포함한다:
- 작용단계 301: 직렬 인덕터들을 통해 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 하나 이상의 교류 전압을 공급하는 단계, 및
- 작용단계 302: 전기화학 공정을 수행하기 위해, 상기 컨버터 브릿지의 직류 전압 터미널들로부터 직류를 전기화학 반응기의 전극들로 공급하는 단계,
여기서, 상기 컨버터 브릿지는 컨버터 레그들을 포함하고, 상기 컨버터 레그들의 각각은 상기 교류 전압 터미널들 중 하나를 포함하고, 상기 직류 전압 터미널들 사이에 연결된다. 상기 컨버터 레그들의 각각은 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 상기 직류 전압 터미널들 중 양극 터미널의 사이에 양방향 상부-브랜지 제어식 스위치를 포함하고, 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 상기 직류 전압 터미널들 중 음극 터미널의 사이에 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치를 포함한다.
예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 방법은, 변압기를 이용하여 교류 전압 네트워크로부터 전력을 컨버터 브릿지로 전송하여, 상기 변압기의 이차 와인딩들이 상기 직렬 인버터들을 통해 상기 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 연결되도록 하는 것을 포함한다.
예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 방법은, 탭 절환기를 이용하여 상기 변압기의 변압비를 변화시키는 것을 포함한다.
예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 방법에서, 상기한 직렬 인덕터들과 함께 인덕터-커패시터-인덕터 필터를 구성하는 인덕터-커패시터 필터를 통해 하나 이상의 교류 전압이 상기 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 공급된다.
예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 방법에서, 상기 전기화학 공정은, 예를 들어 알칼리성 물 전기분해 공정, 양성자 교환막 "PEM" 물 전기분해 공정, 또는 고체 산화물 전해질 전지 "SOEC" 공정일 수 있는 전기분해 공정이다.
예시적이고 비제한적인 일 구체예에 따른 방법에서, 상기 전기화학 공정은, 예를 들어 물의 탈염화와 같은 전기투석 공정이다.
상기한 설명에서 제공된 특정 예들은 첨부된 청구범위의 응용가능성 및/또는 해석을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 상기한 설명에서 제공된 리스트들 및 구체예들의 그룹들은, 특별히 언급되지 않는 한, 모든 것을 망라하는 것은 아니다.

Claims (13)

  1. 전기화학 공정을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    - 유체를 함유하고, 상기 유체에 전류를 보내기 위한 전극들(102, 103, 202, 203)을 포함하는 전기화학 반응기(101, 201),
    - 하나 이상의 교류 전압을 수신하기 위한 교류 전압 터미널들(105, 205) 및 상기 전기화학 반응기의 상기 전극들에 직류를 공급하기 위한 직류 전압 터미널들(106, 206)을 갖는 컨버터 브릿지(104, 204), 및
    - 상기 컨버터 브릿지의 상기 교류 전압 터미널들에 연결된 직렬 인덕터들(107, 207)을 포함하고,
    상기 컨버터 브릿지는 컨버터 레그들(108-110, 208, 210)을 포함하며, 상기 컨버터 레그들의 각각은 상기 교류 전압 터미널들 중 하나를 포함하고, 직류 전압 터미널들 사이에 연결되며, 상기 컨버터 레그들의 각각은, 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 상기 직류 전압 터미널들 중 양극 터미널 사이의 양방향 상부-브랜치 제어식 스위치(111, 211) 및 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 상기 직류 전압 터미널들 중 음극 터미널의 사이의 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치(112, 212)를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 교류 전압 네트워크로부터 전력을 상기 컨버터 브릿지로 전송하기 위한 변압기(113, 213)를 포함하고, 상기 변압기의 이차 와인딩들(134, 234)은 상기 직렬 인덕터들을 통해 상기 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 연결되는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변압기는 상기 변압기의 변압비를 변화시키기 위한 탭 절환기(114, 214)를 포함하는, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 인덕터-커패시터 필터(115)를 포함하여, 상기 인덕터-커패시터 필터와 직렬 인덕터들(107)이 인덕터-커패시터-인덕터 필터를 구성하는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 반응기(101)는 하나 이상의 전기분해 전지(116-119)를 포함하고, 상기 전기분해 전지의 각각은 음극, 양극, 및 상기 전기분해 전지를 상기 양극을 포함하는 양극 구획 및 상기 음극을 포함하는 음극 구획으로 나누는 다공성 격막을 포함하는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기화학 반응기(201)는 전극들(202, 203) 사이에 위치하는 전기투석 스택을 포함하고, 음이온-선택성 막들(220)과 양이온-선택성 막들(221)의 교대 시리즈를 포함하는, 시스템.
  7. 전기화학 공정에 전력을 공급하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    - 직렬 인덕터들(107)을 통해 하나 이상의 교류 전압을 컨버터 브릿지(104)의 교류 전압 터미널들(105)에 공급하는 단계(301), 및
    - 상기 전기화학 공정을 수행하기 위해, 상기 컨버터 브릿지의 직류 전압 터미널들(106)로부터 직류를 전기화학 반응기의 전극들(102, 103)로 공급하는 단계(302)를 포함하고,
    상기 컨버터 브릿지는 컨버터 레그들(108-110)을 포함하며, 상기 컨버터 레그들의 각각은 상기 교류 전압 터미널들 중 하나를 포함하고, 직류 전압 터미널들 사이에 연결되며, 상기 컨버터 레그들의 각각은, 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 상기 직류 전압 터미널들 중 양극 터미널 사이의 양방향 상부-브랜치 제어식 스위치(111) 및 고려되는 컨버터 레그의 교류 전압 터미널과 상기 직류 전압 터미널들 중 음극 터미널의 사이의 양방향 하부-브랜치 제어식 스위치(112)를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방법은, 변압기(113)를 이용하여 교류 전압 네트워크로부터 전력을 상기 컨버터 브릿지로 전송하고, 상기 변압기의 이차 와인딩들(134)이 상기 직렬 인버터들(107)을 통해 상기 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 연결되는 것을 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방법은 탭 절환기를 이용하여 상기 변압기의 변압비를 변화시키는 것을 포함하는 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직렬 인덕터들과 함께 인덕터-커패시터-인덕터 필터를 구성하는 인덕터-커패시터 필터(115)를 통해 하나 이상의 교류 전압이 상기 컨버터 브릿지의 교류 전압 터미널들에 공급되는, 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 공정은 전기분해 공정인, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기분해 공정은 알칼리성 물 전기분해 공정, 양성자 교환막 물 전기분해 공정, 또는 고체 산화물 전기분해 전지 공정인, 방법.
  13. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 공정은 전기투석 공정인, 방법.
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